电机及电力拖动（第五版） 课件 第02章－直流电动机的电力拖动

本章介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。第二章直流电动机的电力拖动

2.3他励直流电动机的机械特性

2.4他励直流电动机的起动

2.5他励直流电动机的电气制动

2.6他励直流电动机的调速

2.7串励直流电动机的电力拖动

2.2生产机械的负载转矩特性

2.8复励直流电动机的机械特性

2.9电力拖动系统的过渡过程

2.1电力拖动系统的动力学2.1电力拖动系统的动力学运动方程的实用形式：2.1.1电力拖动系统的运动方程式系统旋转运动的三种状态:当或时,系统处于加速运行状态，即动态。当或时,系统处于减速运行状态，即动态。当或时,系统处于恒速运行状态，即稳态。首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：2.1.2、运动方程式中转矩正、负号的规定电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。负载转矩Tz与转速n的正方向相同时为负，相反时为正。惯性转矩的大小和正负号由和TZ的代数和决定。2.2生产机械的负载转矩特性2.2.1恒转矩负载恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩Tz与转速无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载Tzn2.位能性恒转矩负载Tzn2.1.2恒功率负载特性恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即Tz与成反比，特性曲线为一条双曲线。负载的转矩Tz基本上与转速的平方成正比。负载特性为一条抛物线。TznTzn12Tz02.1.3通风机负载特性2.3他励直流电动机的机械特性2.3.1机械特性的方程式直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。实际空载转速2.3.2固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性：二、人为机械特性当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性。由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。电枢串接电阻时的人为特性保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性特点：1）不变，变大；

2）越大，特性越软。降低电枢电压时的人为特性保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：特点：1)

随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。减弱励磁磁通时的人为特性保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：特点：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大他励电动机的固有机械特性为一条直线,所以求出直线上任意两点的数据就可以画出直线,一般选择理想空载点和额定运行点2.3.3机械特性绘制一、固有特性的绘制步骤：4）计算额定工作点：1）估算2）计算3）计算理想空载点：在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数或或变化，重新计算和，然后得到人为机械特性方程式。二、人为机械特性的绘制

2.3.4电力拖动系统稳定运行条件处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由上升到，，扰动消失，系统减速，回到点运行。扰动使转速由下降到，，扰动消失，系统加速，回到点运行。2.3.4电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行的充分必要条件：必要条件:

电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在扰动使转速由上升到，，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到点运行。充分条件:

在交点处满足。或者说，在交点的转速以上存在,在交点的转速以下存在。在点，系统平衡起动时转速，电枢电动势，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。2.4他励直流电动机的起动电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。一、起动特性2.4.1电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为二、分组起动电阻的计算

设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点c点d点e点f点g点比较以上各式得：

在已知起动电流比β和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:（3）选取起动级数；（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流；（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；（4）计算起动电流比：取整数（5）计算转矩:，校验：如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止。计算各级起动电阻的步骤：2.4.2减压启动减压启动只有在电动机有专用电源时才能使用启动时,降低电源电压,电流随之减小启动后,逐步提高电源电压,使电磁转距维持在一定数值,保证电机按需要的加速度升速设备投资大启动电流小,升速平稳,启动能耗小2.5他励直流电动机的电气制动当与的方向相同时，电机运行于电动机状态，当与方向相反时，电机运行于制动状态。2.5.1能耗制动电动制动在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。需要制动时,将开关S投向制动电阻上即可。由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向不变。由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反,对应的电磁转矩与方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。制动时，电机靠生产机械的惯性拖动，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。能耗制动时的机械特性为：电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点

但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是

能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。

改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。即：其中为制动瞬间的电枢电动势。2.5.2反接制动电压反接制动时接线如图所示。一、电枢反接制动反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用——电压反接制动。电动制动开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：机械特性为：曲线如图中所示。工作点变化为：。制动过程中,、、均为负，而、为正。,表明电机从电源吸收电功率；,表明电机从轴上吸收机械功率;,表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。

反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。二、倒拉反接倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。电枢回路串入较大电阻后特性曲线正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物c点ABC倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。2.5.3回馈制动(再生制动)回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现情况，此时，反向，反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态——回馈制动状态。稳定运行有两种情况:当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限降压调速时出现的回馈制动制动过程为段。发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况增磁调速时出现的回馈制动制动过程为段。回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。2.6他励直流电动机的调速电力拖动系统的调速可采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的转速为电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。2.6.1调速指标：一、调速范围:二、静差率（相对稳定性）：δ越小，相对稳定性越好；δ与机械特性硬度和n0有关。指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。D与δ相互制约:δ越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的δ指标的前提,要扩大D,须减少Δn,即提高机械特性的硬度。

三、调速的平滑性

越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。四、调速的经济性在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数：主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。2.6.2电枢电路串电阻调速nRan0nN0Ra+Rs1BATLTem未串电阻时的工作点A’n1串电阻Rs1后,工作点由A→A→B电枢电路串电阻调速调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。他励电动机改变电枢回路电阻的调速过程电枢串电阻调速设备简单，操作方便。低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；

轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≦2；损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；缺点:优点：2.6.3弱磁调速A’BTemTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点减弱磁通的人为机械特性减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线ntt=0结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。改变励磁电流调速时电流和转速的变化过程ia

转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D≤2；

为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。机械特性的斜率变大，特性变软；缺点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。优点：2.6.4、降低电枢电压调速A’B调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点

降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。TemTLA一、机械特性和调速特性

在电动机和发电机的电枢回路中，电动机的电枢电动势

（2-52）式中Eaf——发电机的电枢电动势；Raf——发电机的电枢电阻；Rad——发动机的电枢电阻；Φd——电动机的每极磁通。所以，电动机的机械特性方程式为

（2-53）和（2-54）

G-M系统机械特性起动首先必须使电动机励磁，并调节励磁电流达到额定值，然后再使发电机励磁。发电机的感应电动势是从零逐渐升高的，这就不会发生起动电流过大造成对电动机的冲击，保证了电动机能平稳起动，而不需要在电枢电路中串接起动电阻。制动要使电动机停转，只要将开关断开，电动机就能获得电气制动而迅速停下来。反转要实现电动机反转，只要将开关投到相反位置即可。反向时不会产生很大的冲击电流，电动机能够实现比较平稳的反转。二、起动和制动2.7串励直流电动机的电力拖动2.7.1串励电动机的机械特性当磁路不饱和时当磁路饱和时，磁通基本不变，机械特性与他励直流电动机的机械特性相似。TemnABC磁路不饱和时的机械特性曲线AB段磁路饱和时的机械特性曲线BC段一、固有特性

固有特性是指当时的特性，具有以下特点：它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；空载时，为无穷大。实际上，空载时存在剩磁，为有限值，但值也很大——“飞车”现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。由于，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。二、人为特性电枢串电阻的人为特性串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固有特性的下方，且特性变得更软。降低电压的人为特性降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后，电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的人为特性位于固有特性下方。改变磁通的人为特性改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有特性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所以人为特性位于固有特性上方。2.7.2串励电动机的起动、调速一、串励电动机的起动串励电动机的起动性能要比他励电动机好，这是因为串励电动机的励磁电流等于电枢电流，因此在同样的起动电流下，串励直流电动机有较大的起动转矩。起动时为了限制起动电流，仍然需要接入起动电阻。起动过程与他励电动机相似。串励电动机的机械特性通常不是直线，所以起动电阻的计算一般不能用解析法而只能采用图解法二、串励电动机的调速串励电动机的调速也采用电枢串电阻、降压和弱磁三种方法，其中串电阻常用，弱磁用得较少。2.7.2串励电动机的制动串励电动机若不考虑剩磁，理想空载转速为无穷大，因此不能有回馈制动。串励电动机的制动能耗制动反接制动他励磁式制动自励式制动电枢反接制动倒拉反接制动2.8复励电动机的机械特性复励电动机的固有和人为机械特性2.9电力拖动系统的过渡过程动态过程是指系统从一个稳定工作点向另一个稳定工作点过渡的中间过程，这个过程被称为过渡过程，系统在过渡过程的变化规律和性能被称为系统的动态特性。研究这些问题，对经常处于起动、制动运行的生产机械如何缩短过渡过程时间，减少过渡过程中能量损耗，提高劳动生产率等，都有实际意义。2.9.1他励直流电动机起动时的过渡过程为突出主要机电过程，在讨论中作如下假定：电网电压U=UN=常数，不因起动电流的冲击而产生波动。不考虑电枢反应影响，即磁通Ф常数。负载转矩TZ=常数。设一他励直流电动机在全电压的条件下，电枢串入固定电阻进行起动，根据电动势平衡方程式和转矩平衡方程式，可写出式中R——电枢电路总电阻。

（2-63）（2-62）式中Iz——对应于负载转矩TZ时的稳态电枢电流（负载电流）

Tm——机电时间常数，解式（2-64）得（2-65）

由式（2-62），得所以，代入式（2-63），得（2-64）式中K由起始条件决定，在起动瞬间，即t=0时，Ia=Ist1，于是可求得K=Ist1+Iz，代入式（2-65）求得（2-66）（2-67）上式即表示起动过程中电枢电流随时间的变化规律它按指数规律变化。因为ф=常数，所以由式（2-66）便可直接推出电磁转矩在起动过程中的变化规律